Lignine

La lignine est un des principaux composants du bois, avec la cellulose, l'hémicellulose et les matières extractibles. On retrouve la lignine principalement dans les plantes vasculaires et dans quelques algues et ses principales fonctions sont d'offrir de la rigidité, une imperméabilité à l'eau et une grande résistance à la décomposition. Une plante peut avoir entre 15% et 35% de lignine principalement localisé entre les cellules (voir parois pectocellulosiques), mais on en retrouve une quantité significative à l'intérieur même de celles-ci. Bien que la lignine soit un réseau tridimensionnel hydrophobe complexe, l'unité de base se résume essentiellement à une unité de phénylpropane. La lignine est le deuxième biopolymère renouvelable le plus commun sur terre après la cellulose et à eux deux, ils cumulent plus de 70% de la biomasse totale. À l'heure actuelle de nos connaissances, la lignine offre peu de débouchés rentables comparativement à la pétrochimie d'où une utilisation massive comme combustible.

VOIE DE BIOSYNTHESE : la lignine est une molecule dont le précurseur est l'alanine. Cet acide aminé va subir une cascade de réactions faisant intervenir des enzymes de la famille des methyltransferrases afin d'abouttir à une molécule de cima- mocyl alcool deshydrogènase . C 'est ce composé appelé monomère d'alcool coniferétique qui par l'action d'une peroxydase abouttit à la formation de lignine. Il est à noter que cette voie de biosynthèse n'est pas unique car si l'on inhibe une des enzymes de la voie de biosynthèse affectant la formation de lignine, on observe une autre forme polymorphe de lignine donnant au " bois" un aspect rougeatre.

Elle est apparue au Dévonien (-380 millions d'années) avec le groupe des Ptéridophytes.

C'est en 1856 que le terme lignine (du latin lignum, bois) fait son apparition pour la première fois en littérature scientifique dans une publication du chimiste. Franz Ferdinand Schulze (1815–1873). Par contre, dès 1839, le chimiste français Anselme Payen parlait d'une "matière incrustante" qui avait un lien exclusivement mécanique avec la cellulose.

Le caractère aromatique de la lignine a été mis en évidence pour la première fois en 1868 et en 1897, un scientifique suédois, P. Klasen décrira la lignine comme non cellulosique et confirmera sa nature aromatique. Après la Première Guerre mondiale, plusieurs travaux permettront d'attester le phénol comme étant un constituant de la lignine, mais il faudra attendre jusqu'en 1927 avant que sa structure phénylpropane et ses dérivés soient clairement établis.

On ne s'accorde toujours pas sur une définition unique et précise de la lignine du fait de sa grande variabilité et cela au sein même de la même espèce, car sa formation dépend de l'environnement physico-chimique dans lequel le végétal croît. Il serait donc préférable de parler des lignines.

Les lignines sont des polymères de monolignols. Il existe au moins trois types de monomères différents :

• l'alcool coumarylique (ou p-coumaryle), appelée unité H
• l'alcool coniférylique (ou coniféryle), appelée unité G
• l'alcool sinapylique, appelée unité S.

La fraction de chaque monomère varie de façon importante en fonction de :

• la lignée végétale (Angiosperme, Gymnosperme, etc.),
• l’espèce,
• l’organe,
• le tissu.

Les lignines de gymnospermes sont homogènes. Le bois de ces essences est constitué à 95 % de trachéides et à 5 % de différents types de parenchymes. Le bois de résineux contient beaucoup de lignine (entre 25 et 35 %), une lignine dont la structure est « condensée » (nombreuses liaisons C-C entre les unités constitutives).

Les angiospermes étant des essences évolutivement beaucoup plus jeunes, elles ont eu le temps de diversifier leurs tissus pour le transport de fluides (chez les gymnospermes, les fonctions de transport des fluides et de support mécanique sont assurées par les trachéides). On trouve ainsi une diversité énorme des bois de feuillus dont certains sont plus poreux (riches en vaisseaux, comme les chênes) et les autres plus « fibreux » (comme les bouleaux). La lignine devient elle aussi plus diversifiée et elle varie entre les cellules des fibres et les cellules des vaisseaux.

La lignine se dépose dans la paroi secondaire de certaines cellules végétales, leur conférant ainsi une meilleure solidité, car la lignine est très résistante à la compression. De plus, la lignine possède un pouvoir d’imperméabilisation des cellules, du fait de son hydrophobicité. On trouve ainsi des parois imprégnées de lignine (lignifiées) dans les cellules de tissus servant au soutien de la plante (sclérenchyme) ou au transport de l’eau et des sels minéraux (xylème).

En règle générale, les cellules lignifiées, devenues imperméables, ont perdu leur cytoplasme et n’acquièrent leur rôle dans le végétal qu’une fois mortes.

La lignification est un processus fondamental de l’évolution des plantes terrestres. C’est elle qui, en effet, permet la croissance en hauteur des végétaux ligneux. Cette capacité a permis d'avoir un port dressé favorisant la réception de l'énergie lumineuse. L'ensemble de ces acquisitions étant un préalable à la conquête du milieu terrestre. La capacité de formation de lignine par les végétaux s'est mise en place au début du Paléozoïque (avec un fort développement à partir du Dévonien) et caractérise les trachéophytes (voir Flore de Rhynie).

La lignine, qui est donc caractéristique des plantes vasculaires terrestres, offre également une barrière de protection contre l'attaque microbienne du végétal. En effet, de par sa nature chimique, la lignine est une matière extrêmement résistante à divers agents chimiques et à la dégradation biologique, ce qui explique la qualité médiocre des fourrages hautement lignifiés.

Certains micro-organismes, en particulier les champignons dits de la pourriture blanche du bois, sont capables de digérer entièrement le complexe lignine - hémicellulose - cellulose (ligninolyse) et ainsi d'améliorer la valeur nutritive des matériaux lignocellulosiques.

Selon une hypothèse de A.C Neish et C. Hébant, la lignine serait une forme de stockage des excréments de la plante. Sachant que la lignine est constituée de composés phénoliques qui sont toxiques sous forme libre pour la plante, cette dernière aurait trouvé une façon de les neutraliser en les stockant sous forme de lignine dans des cellules vasculaires mortes.

• Les lignines sont fortement recherchées dans les bois de chauffage, ayant un pouvoir calorifique important.
• Au contraire, elles sont gênantes pour la fabrication du papier, responsables de sa coloration jaunâtre après exposition au soleil. Ce sont les produits chlorés contenus dans les substances permettant l’extraction de la lignine (délignification) des pâtes à papier qui rend cette industrie polluante.
• Enfin, elles sont peu digestes et donc peu recherchées dans la culture de plantes fourragères.

Pour les raisons évoquées ci-dessus, de nombreuses recherches sont en cours (essentiellement par transformation génétique), visant à produire des végétaux moins riches en lignine (fabrication du papier), ou au contraire, avec un taux de lignine plus important (bois de chauffage).

Mais, vu l'importance de la production du complexe lignine — hémicellulose — cellulose sur la planète, environ 25 % de cette ressource renouvelable serait accessible à des procédés de conversion biotechnologiques. Ainsi, actuellement les champignons de la pourriture blanche sont très étudiés en raison de plusieurs applications :

• Mise en place de procédés propres et économiques dans l'industrie papetière ;

• bioconversion et production de molécules à haute valeur ajoutée d'intérêts agro-alimentaire et pharmaceutique à partir de matériaux lignocellulosiques ;

• biotraitement et valorisation des matériaux lignocellulosiques (notamment pour le bétail) ;

• amélioration des sols grâce au bois raméal fragmenté.

• L'Université de Tokushima (Japon) a annoncé avoir réussi (à haute température et haute pression) a séparer la lignine des autres composants du bois, permettant de produire avec cette lignine à faible masse moléculaire une résine époxy résistante à la température et non conductrice de l'électricité, comparable selon ses inventeur aux résines actuellement utilisées